Макромолекула — это очень большая молекула , важная для биологических процессов , например, белок или нуклеиновая кислота . Она состоит из тысяч ковалентно связанных атомов . Многие макромолекулы представляют собой полимеры более мелких молекул, называемых мономерами . Наиболее распространенными макромолекулами в биохимии являются биополимеры ( нуклеиновые кислоты , белки и углеводы ) и большие неполимерные молекулы, такие как липиды , наногели и макроциклы . [1] Синтетические волокна и экспериментальные материалы, такие как углеродные нанотрубки [2] [3], также являются примерами макромолекул.
Макромолекула
Большая молекулаМолекула с высокой относительной молекулярной массой, структура которой по существу
представляет собой многократное повторение единиц, полученных, фактически или концептуально, из
молекул с низкой относительной молекулярной массой.
- Примечания
1. Во многих случаях, особенно для синтетических полимеров, молекулу можно считать
имеющей высокую относительную молекулярную массу, если добавление или удаление одной или
нескольких единиц оказывает незначительное влияние на молекулярные свойства. Это утверждение
не выполняется в случае определенных макромолекул, для которых свойства могут
критически зависеть от тонких деталей молекулярной структуры.
2. Если часть или вся молекула вписывается в это определение, ее можно описать
как макромолекулярную или полимерную , или полимерную, используемую в качестве прилагательного. [4]
Термин макромолекула ( макро- + молекула ) был придуман лауреатом Нобелевской премии Германом Штаудингером в 1920-х годах, хотя его первая соответствующая публикация в этой области упоминает только высокомолекулярные соединения (более 1000 атомов). [5] В то время термин полимер , введенный Берцелиусом в 1832 году, имел иное значение, чем сегодня: это была просто другая форма изомерии , например, с бензолом и ацетиленом , и она имела мало общего с размером. [6]
Использование этого термина для описания больших молекул различается в разных дисциплинах. Например, в то время как биология относится к макромолекулам как к четырем большим молекулам, составляющим живые существа, в химии этот термин может относиться к агрегатам из двух или более молекул, удерживаемых вместе межмолекулярными силами, а не ковалентными связями , но которые нелегко диссоциируют. [7]
Согласно стандартному определению ИЮПАК , термин макромолекула , используемый в полимерной науке, относится только к одной молекуле. Например, одна полимерная молекула надлежащим образом описывается как «макромолекула» или «полимерная молекула», а не «полимер», что предполагает вещество, состоящее из макромолекул. [8]
Из-за своего размера макромолекулы не удобно описывать только с точки зрения стехиометрии . Структура простых макромолекул, таких как гомополимеры, может быть описана с точки зрения индивидуальной мономерной субъединицы и общей молекулярной массы . С другой стороны, сложные биомакромолекулы требуют многогранного структурного описания, такого как иерархия структур, используемая для описания белков . В британском английском слово «макромолекула» обычно называют « высокополимерным ».
Макромолекулы часто обладают необычными физическими свойствами, которые не свойственны более мелким молекулам. [ как? ]
Другим общим свойством макромолекул, которое не характеризует более мелкие молекулы, является их относительная нерастворимость в воде и подобных растворителях , вместо этого образуя коллоиды . Многим требуются соли или определенные ионы для растворения в воде. Аналогично, многие белки будут денатурировать, если концентрация растворенного вещества в их растворе слишком высока или слишком низка.
Высокие концентрации макромолекул в растворе могут изменять скорости и константы равновесия реакций других макромолекул посредством эффекта, известного как макромолекулярное скопление . [9] Это происходит из-за того, что макромолекулы исключают другие молекулы из большой части объема раствора, тем самым увеличивая эффективные концентрации этих молекул.
Все живые организмы зависят от трех основных биополимеров для своих биологических функций: ДНК , РНК и белки . [10] Каждая из этих молекул необходима для жизни, поскольку каждая играет особую, незаменимую роль в клетке . [11] Простым образом, ДНК производит РНК, а затем РНК производит белки .
ДНК, РНК и белки состоят из повторяющейся структуры связанных строительных блоков ( нуклеотидов в случае ДНК и РНК, аминокислот в случае белков). В общем, все они являются неразветвленными полимерами, и поэтому могут быть представлены в виде нити. Действительно, их можно рассматривать как нить бусин, где каждая бусина представляет собой один нуклеотид или мономер аминокислоты, соединенный вместе посредством ковалентных химических связей в очень длинную цепь.
В большинстве случаев мономеры в цепи имеют сильную склонность к взаимодействию с другими аминокислотами или нуклеотидами. В ДНК и РНК это может принимать форму пар оснований Уотсона-Крика (G–C и A–T или A–U), хотя могут происходить и происходят многие более сложные взаимодействия.
Из-за двухцепочечной природы ДНК практически все нуклеотиды принимают форму пар оснований Уотсона-Крика между нуклеотидами на двух комплементарных цепях двойной спирали .
Напротив, и РНК, и белки обычно одноцепочечные. Поэтому они не ограничены регулярной геометрией двойной спирали ДНК и, таким образом, складываются в сложные трехмерные формы в зависимости от их последовательности. Эти различные формы отвечают за многие общие свойства РНК и белков, включая образование специфических связывающих карманов и способность катализировать биохимические реакции.
ДНК — это макромолекула для хранения информации, которая кодирует полный набор инструкций ( геном ), необходимых для сборки, поддержания и воспроизводства каждого живого организма. [12]
ДНК и РНК способны кодировать генетическую информацию, поскольку существуют биохимические механизмы, которые считывают информацию, закодированную в последовательности ДНК или РНК, и используют ее для генерации определенного белка. С другой стороны, информация о последовательности молекулы белка не используется клетками для функционального кодирования генетической информации. [1] : 5
ДНК имеет три основных свойства, которые позволяют ей намного лучше, чем РНК, кодировать генетическую информацию. Во-первых, она обычно двухцепочечная, так что в каждой клетке есть минимум две копии информации, кодирующей каждый ген. Во-вторых, ДНК имеет гораздо большую устойчивость к разрушению, чем РНК, свойство, в первую очередь связанное с отсутствием 2'-гидроксильной группы в каждом нуклеотиде ДНК. В-третьих, присутствуют очень сложные системы надзора и восстановления ДНК, которые отслеживают повреждения ДНК и восстанавливают последовательность при необходимости. Аналогичные системы не развились для восстановления поврежденных молекул РНК. Следовательно, хромосомы могут содержать многие миллиарды атомов, организованных в определенную химическую структуру.
Белки — это функциональные макромолекулы, ответственные за катализ биохимических реакций , поддерживающих жизнь. [1] : 3 Белки выполняют все функции организма, например, фотосинтез, нервную функцию, зрение и движение. [13]
Одноцепочечная природа белковых молекул, вместе с их составом из 20 или более различных аминокислотных строительных блоков, позволяет им складываться в огромное количество различных трехмерных форм, обеспечивая при этом связывающие карманы, через которые они могут специфически взаимодействовать со всеми видами молекул. Кроме того, химическое разнообразие различных аминокислот, вместе с различными химическими средами, предоставляемыми локальной трехмерной структурой, позволяет многим белкам действовать как ферменты , катализируя широкий спектр специфических биохимических преобразований внутри клеток. Кроме того, белки развили способность связывать широкий спектр кофакторов и коферментов , более мелких молекул, которые могут наделять белок специфическими активностями, выходящими за рамки тех, которые связаны только с полипептидной цепью.
РНК многофункциональна, ее основная функция — кодировать белки в соответствии с инструкциями в ДНК клетки. [1] : 5 Они контролируют и регулируют многие аспекты синтеза белков у эукариот .
РНК кодирует генетическую информацию, которая может быть переведена в аминокислотную последовательность белков, о чем свидетельствуют молекулы РНК-мессенджера, присутствующие в каждой клетке, и РНК-геномы большого количества вирусов. Одноцепочечная природа РНК, а также тенденция к быстрому распаду и отсутствие систем репарации означают, что РНК не так хорошо подходит для долгосрочного хранения генетической информации, как ДНК.
Кроме того, РНК представляет собой одноцепочечный полимер, который может, подобно белкам, складываться в очень большое количество трехмерных структур. Некоторые из этих структур обеспечивают сайты связывания для других молекул и химически активные центры, которые могут катализировать определенные химические реакции на этих связанных молекулах. Ограниченное количество различных строительных блоков РНК (4 нуклеотида против >20 аминокислот в белках), вместе с их отсутствием химического разнообразия, приводит к тому, что каталитические РНК ( рибозимы ) обычно являются менее эффективными катализаторами, чем белки для большинства биологических реакций.
Основные макромолекулы:
Макромолекулы углеводов ( полисахариды ) образуются из полимеров моносахаридов . [1] : 11 Поскольку моносахариды имеют несколько функциональных групп , полисахариды могут образовывать линейные полимеры (например, целлюлозу ) или сложные разветвленные структуры (например, гликоген ). Полисахариды выполняют многочисленные функции в живых организмах, выступая в качестве энергетических хранилищ (например, крахмал ) и структурных компонентов (например, хитин у членистоногих и грибов). Многие углеводы содержат модифицированные моносахаридные единицы, в которых функциональные группы были заменены или удалены.
Полифенолы состоят из разветвленной структуры множественных фенольных субъединиц. Они могут выполнять структурные роли (например, лигнин ), а также роли вторичных метаболитов , участвующих в сигнализации , пигментации и защите .
Некоторые примеры макромолекул - синтетические полимеры ( пластики , синтетические волокна и синтетический каучук ), графен и углеродные нанотрубки . Полимеры могут быть получены из неорганического вещества, а также, например, из неорганических полимеров и геополимеров . Включение неорганических элементов обеспечивает настраиваемость свойств и/или адаптивное поведение, как, например, в интеллектуальных неорганических полимерах .